7.3.1 污水处理技术
污水处理的基本原理是根据污染物与水的性质的差异，采用各种方法将其与水分离，或将其转化为无害和稳定的物质。根据污水处理的基本原理，可将现代的污水处理技术大致归纳为物理法、化学法、物理化学法和生物法四大类。
一、物理法
凡是应用物理作用改变废水成分的处理过程，统称为物理法，它的实质就是利用污染物与水的物理性质差异，通过相应的物理作用将污染物与水分离。物理法是最早采用的废水处理方法，目前，它已经成为大多数废水处理流程的基础。一般来说，采用物理法分离的对象是水中呈悬浮状态的污染物，即悬浮物（包括油膜和油珠）。废水处理常用的物理法包括筛滤法、重力法、离心法等。
1.筛滤法
筛滤法针对污染物具有一定形状及尺寸大小的特性，利用筛网、多孔介质或颗粒床层机械截留作用，将其从水中去除，常用于悬浮物含量较高时污水的预处理。筛滤的方式有以下几种。
（1）在水泵之前或废水渠道内设置带孔眼的金属板、金属网、金属栅，过滤水中的漂浮物和各种固体杂质，有用的截留物可用水冲洗回收。
（2）在过滤机上装上用帆布、尼龙布或针刺毡过滤水中较细小的悬浮物，如造纸、纺织废水中的微粒、细毛等。
（3）以石英砂、无烟煤、磁铁矿等颗粒为介质可组成单层、双层和多层过滤床，它们可以有效地截留细小的颗粒、矾花、藻类、细菌及病毒。
2.重力法
重力法是利用悬浮物与水密度的差异，使悬浮物在水中自然沉降或上浮，从而将其除去的方法。污染物的沉降和上浮的速度除了与其密度有关外，还与其尺寸大小及水相的性质有关，计算公式为
式中：v——沉降或上浮速度，单位为cm/s；
g——重力加速度，单位为cm/s2；
μ——水的动力黏滞系数，单位为g/（cm·s）；
ρs——悬浮固体密度，单位为g/cm3；
ρ1——废水的密度，单位为g/cm3；
d——悬浮固体直径，单位为cm。
生活污水中的悬浮物、选矿厂废水中的微细矿粒、洗煤厂废水的煤泥、肉类加工厂和制革厂等废水中的有机悬浮物、石油化工厂废水中的漂油等都可以利用重力法，使其沉降或上浮而加以分离。用沉降和上浮法处理废水，不仅可使废水得到一定程度的净化，而且有时可回收其中的有用成分。重力法在污水处理过程中占据极为重要的地位，许多其他污水处理方法最后也要联合重力法才能将水体中污染物完全除去。
利用重力法处理废水的设备形式有多种，如沉淀池、浓缩池、隔油池等。其中，沉淀池是分离悬浮物的一种常用处理构筑物，在废水处理中广为应用。它的形式很多，按池内水流方向可分为平流式沉淀池、竖流式沉淀池和辐流式沉淀池三种。通常在1.5～2 h的沉淀时间里，悬浮物的去除率可达50%～60%。沉淀池由五个部分组成，即进水区、出水区、沉淀区、储泥区及缓冲区。进水区和出水区的功能是使水流的进入与流出保持均匀平稳，以提高沉淀效率。沉淀区是池子的主要部位。储泥区是存放污泥的地方，它起到储存、浓缩与排放的作用。缓冲区介于沉淀区和储泥区之间，其作用是避免水流带走沉在池底的污泥。沉淀池的运行方式有间歇式与连续式两种。在间歇运行的沉淀池中，其工作过程大致分为三步：进水、静置及排水。污水中可沉淀的悬浮物在静置时完成沉淀过程，然后由设置在沉淀池壁不同高度的排水管排出。在连续运行的沉淀池中，污水连续不断地流入与排出。污水中可沉颗粒的沉淀是在流过水池时完成。图7-9所示便是一种常见的沉淀池，图7-10所示是旋流式沉淀池。
图7-9 竖流式沉淀池构造示意图
3.离心法
离心法是重力法的一种强化，即用离心力场取代重力场来改善悬浮物与水分离的效果或加快分离过程。在离心设备中，废水与设备作相对旋转运动，形成离心力场，由于污染物与同体积的水的质量不一样，所以在运动中受到的离心力也不同。在离心力场的作用下，密度大于水的固体颗粒被甩向外侧，废水向内侧运动（或废水向外侧，密度小于水的有机物如油脂类等向内侧运动），分别将它们从不同的出口引出，便可达到分离的目的。
用离心法处理废水设备有两类：一类是设备固定，具有一定压力的废水沿切线方向进入设备容器内，产生旋转，形成离心力场，如钢铁厂用于除铁屑等物的旋流沉淀池和水力旋流器等；另一类是设备本身旋转，使其中的废水产生离心力，如常用于分离乳浊液和油脂等物的离心机（图7-11）。
图7-10 旋流式沉淀池
1—抓斗；2—油箱；3—油泵；4—水泵；
5—撇油管；6—进水管；7—渣坑；8—护底钢板
图7-11 卧式螺旋离心机结构图
二、化学法
污水的化学处理法，就是根据污染物的化学活性，通过添加化学试剂进行化学反应来分离、回收污水中的污染物，或使其转化为无毒、无害的物质。污水的化学处理法主要用来去除污水中溶解性的污染物。属于化学处理法的有中和法、化学沉淀法、氧化还原法、电解法、混凝法等。
1.中和法
根据酸性物质与碱性物质反应生成盐的基本原理，去除废水中过量的酸和碱，使其达到中性或接近中性的方法称中和法。
酸性废水常采用的中和方法有：用碱性废水和废渣进行中和，向废水中投放碱性中和剂进行中和，通过碱性滤料层过滤中和，用离子交换剂进行中和等。碱性废水常采用的中和方法有：用酸性废水进行中和，向废水中投加酸性中和剂进行中和，利用酸性废渣或烟道气中的SO2、CO2等酸性气体进行中和。常用的碱性中和剂有石灰、电石渣和石灰石、白云石。常用的酸性中和剂有废酸、粗制酸和烟道气。
2.化学沉淀法
化学沉淀法是往废水中投加某种化学药剂，使之与水中的溶解性物质发生反应，生成难溶于水的盐类，形成沉渣，从而降低水中溶解物质的含量。这种方法多用于除去废水中的汞、镍、铬、铅、锌等重金属离子。根据沉淀剂的不同，可分为：①氢氧化物沉淀法，即中和沉淀法，是从废水中除去重金属的有效而经济的方法；②硫化物沉淀法，能更有效地处理含金属废水，特别是经氢氧化物沉淀法处理仍不能达到排放标准的含汞、含镉废水；③钡盐沉淀法，常用于电镀含铬废水的处理。化学沉淀法是一种传统的水处理方法，广泛用于水质处理中的软化过程，也常用于工业废水处理，以去除重金属和氰化物。选择化学沉淀剂的依据一是生成沉积物的溶度积，二是经济成本。
3.氧化还原法
废水中呈溶解态的有机和无机污染物，在投加氧化剂和还原剂后，由于电子的得失迁移而发生氧化还原反应，使污染物转化成无害的物质。常用的氧化剂有空气、漂白粉、氯气、液氯、臭氧等，含有硫化物、氰化物、苯酚及色、臭、味的废水常用氧化法处理。常用的还原剂有铁屑、硫酸亚铁、硫酸氢钠等，含铬、含汞的废水常用还原法处理。氧化剂或还原剂的选择应考虑：对废水中特定的污染物有良好的氧化作用，反应后的生成物应是无害的或易于从废水中分离，价格便宜，来源方便，常温下反应速度较快，反应时不需要大幅度调节pH值等。氧化处理法几乎可处理一切工业废水，特别适用于处理废水中难以被生物降解的有机物，如绝大部分农药和杀虫剂，酚、氰化物，以及引起色度、臭味的物质等。
4.电解法
电解质溶液在电流的作用下，发生电化学反应的过程称为电解。在电解过程中，溶液与电源的正负极接触部分同时发生氧化还原反应。当对某些废水进行电解时，废水中的污染物在阳极失去电子（或在阴极得到电子）而被氧化（或还原）成新的产物。这些新产物可能沉淀在电极表面或沉淀到反应槽底部，也可能在某些情况下会形成气体逸出，从而降低了废水中污染物的浓度。这种利用电解的原理来处理某些废水的方法，即为废水处理中的电解法。目前，电解法主要用于处理含铬及含氰废水。
5.混凝法
混凝法就是通过添加混凝剂使水中的胶体杂质和细小悬浮物脱稳并聚结成可以与水分离的絮凝体的过程。水中的胶体和微细粒子，通常表面都带有电荷（负电荷居多），如天然水中的黏土类胶体微粒、废水中的胶态蛋白质和淀粉微粒都带有负电荷。带有同种电荷的胶体颗粒之间相互排斥，能在水中长期保持分散悬浮状态，即使静置数十小时以后，也不会自然沉降。为了使胶体颗粒沉降，就必须破坏胶体的稳定性，促使胶体颗粒相互聚集成为较大的颗粒。混凝法就是通过混凝剂的电性中和、吸附架桥、网捕卷扫等作用使污水中的胶体颗粒失稳，进而凝聚成大颗粒而沉降去除。常用的混凝剂有硫酸铝、碱式氯化铝、硫酸亚铁、三氯化铁、聚合硫酸铁等。很多情况下为了加速沉降和提高处理效果，还可投加一些高分子絮凝剂，如聚丙烯酰胺等。
三、物理化学法
物理化学法分为气浮法、吸附法、离子交换法、萃取法、膜分离法等。
1.气浮法
气浮就是往水中通入空气，并使其以微小气泡形式逸出，黏附水中微细悬浮物，形成整体密度小于水的气-液-固三相混合体，上浮至水面从而得以与水分离。为了提高气泡与悬浮污染物的黏附强度和效率，往往需要根据水质情况投加混凝剂或浮选剂。根据通入空气的方式不同，气浮处理又可分为加压溶气气浮法、叶轮搅拌气浮法和射流气浮法。气浮法常用来从废水中分离那些密度接近于水的微小颗粒状污染物（包括油珠），例如炼油厂含油废水，含大量纤维、填料、松香胶状物的造纸废水及染色废水等常采用气浮法来净化处理。
2.吸附法
吸附是一种物质附着在另一种物质表面上的过程，它可以发生在气-液、气-固、液-固两相之间。吸附法处理废水就是将废水通过多孔性固体吸附剂，使废水中溶解性有机或无机污染物吸附到吸附剂上。常用的吸附剂为活性炭，通过吸附剂的吸附可去除污水中的酚、汞、铬、氰等有害物质和水中的色、臭等。目前吸附法多用于水的深度处理，根据其操作过程又可分为静态吸附和动态吸附两种。所谓静态吸附是在污水不流动的条件下操作；动态吸附则是污水以流动状态不断经过吸附剂层，污染物不断被吸附的操作过程。大多数情况下，污水处理都采用动态吸附操作，常用的吸附设备有固定床、移动床和流化床三种。
3.离子交换法(https://www.daowen.com)
离子交换法与吸附法类似，所不同的是离子交换树脂在吸附水中的欲去除离子时，同时也向水相释放出等量的交换离子，此方法是硬水软化的传统方法，在污水处理中常用于深度处理。可去除的物质主要有铜、镍、镉、锌、汞、磷酸、硝酸、氨和一些放射物质等。离子交换剂有无机离子交换剂和有机离子交换剂（树脂）两大类，采用此法处理污水必须考虑离子交换剂的选择性即交换能力的大小。离子交换剂的选择性主要取决于各种离子对该种离子交换剂亲和力的大小。
4.萃取法
萃取的实质是利用溶质（一般污染物）在水中和溶剂（萃取剂）中的溶解度差异进行的一种分离过程。将不溶于水或难溶于水的溶剂投入污水中，由于溶解度的差异，溶质则转移溶于溶剂中，然后利用溶剂与水的密度差，将溶解有溶质的溶剂分离出来，便可达到净化的目的。一般情况下，萃取剂是要再生循环使用的，再生的方法主要有蒸馏法，即利用溶质与溶剂的沸点不同来进行分离，此外，也可投加化学药剂使溶质生成不溶于溶剂的盐来进行分离。萃取法用得较多的是含酚废水的处理，例如可采取乙酸丁酯、重质苯、异丙醇等萃取回收水中的酚，常用的萃取设备有脉冲筛板塔、离心萃取机等。
5.膜分离法
膜分离法是利用特殊的薄膜对污水中的污染物进行选择性透过的分离技术，根据膜的性质及分离过程的推动力，可将其分为电渗析、扩散渗析、反渗透和超滤等四种方法。
（1）电渗析 在直流电场的作用下，废水中的离子朝相反电荷的极板方向迁移，由于离子交换膜的选择性透过作用，阳离子穿透阳离子交换膜而被阴离子交换膜所阻隔。同样，阴离子穿透阴离子交换膜而被阳离子交换膜所阻隔。由于离子的定向运动及离子交换膜的阻挡作用，当污水通过由阴、阳离子交换膜所组成的电渗器时，污水中的阴阳离子便可得以分离而浓缩，水得以净化。此法可以用于酸性废水、含重金属离子废水及含氰废水处理等。
（2）扩散渗析 扩散渗析是使高浓度溶液中的溶质透过薄膜向低浓度溶液中迁移的过程。与电渗析不同的是推动力不是电场力，而是膜两侧的溶液浓度差。此法主要用于分离废水中的电解质，例如酸碱废液的处理、废水中的金属离子的回收等。
（3）反渗透 反渗透是以压力为推动力的膜分离过程，即溶液中的水在压力作用下，透过特殊的半渗透膜，污染物则被膜所截留。这样污水得以浓缩，透过半透膜的水得以净化。此法主要用在海水淡化、高纯水的制取和废水的深度处理及去除细菌、病毒、有害离子等。
（4）超滤 超滤又称超过滤，其作用原理与反渗透类似，所不同的是其所用的超滤膜孔径较反渗透膜要大，主要用于去除废水中的大分子物质和微粒。超滤膜截留大分子物质和微粒的机理是利用膜表面的孔径机械筛分、阻滞作用及膜表面及膜孔对杂质的吸附作用，其中主要是机械筛分作用，所以膜的孔隙大小是分离杂质的主要控制因素。
四、生物法
废水生物处理是通过微生物的新陈代谢作用，将废水中有机物的一部分转化为微生物的细胞物质，另一部分转化为比较稳定的无机物和有机物的过程。自然界存在大量可分解有机物的微生物，实际上废水的生物处理方法就是自然界微生物分解有机物的人工强化，即通过创造有利于微生物生长、繁殖的环境，使微生物大量繁殖，以提高其分解有机物的效率。当所采取的人工强化措施不起实质性作用时，可尝试采用自然生物处理法。一般情况下，人们习惯根据废水处理的生化反应过程需氧与否，把废水的生物处理分为好氧生物法和厌氧生物法两大类。
1.好氧生物法
在废水好氧生物处理过程中，氧是有机物氧化时的最后氢受体，正是由于这种氢的转移，才使能量释放出来，成为微生物生命活动和合成新细胞物质的能源，所以，必须不断地供给足够的溶解氧。
好氧生物处理时，一部分被微生物吸收的有机物氧化分解成简单无机物（如有机物中的碳被氧化成二氧化碳，氢与氧化合成水，氮被氧化成氨、亚硝酸盐和硝酸盐，磷被氧化成磷酸盐，硫被氧化成硫酸盐等），同时释放出能量，作为微生物自身生命活动的能源。另一部分有机物则作为其生长繁殖所需的构造物质，合成新的原生质。这种氧化分解和同化合成过程可以用下列生化反应式表示。
有机物的氧化分解（有氧呼吸）：
原生质的同化合成（以氨为氮源）：
原生质的氧化分解（内源呼吸）：
由此可见，当废水中营养物质充足时，即微生物既能获得足够的能量，又能大量合成新的原生质（C5H7NO2为细菌的组成的化学式，这里用以指代原生质）时，微生物就不断增长；当废水中营养物质缺乏时，微生物只能依靠分解细胞内储藏的物质，甚至把原生质也作为营养物质利用，以获得生命活动所需的最低限度的能量，在这种情况下，微生物无论质量还是数量都是不断减少的。
在好氧处理过程中，有机物用于氧化与合成的比例，随废水中有机物性质而异。对于生活污水或与之相类似的工业废水，BOD5中有50%～60%转化为新的细胞物质。好氧生物处理时，有机物的转化过程如图7-12所示。
图7-12 有机物的好氧分解过程
好氧生物处理又分为活性污泥法和生物膜法等。
1）活性污泥法
这是当前使用最广泛的一种生物处理方法。将空气连续注入曝气池的污水中，经过一段时间，水中即形成繁殖有巨量好氧微生物的絮凝体——活性污泥。活性污泥能够吸附水中的有机物，生活在活性污泥中的微生物以有机物为食料，获得能量并不断生长繁殖，有机物被去除，污水得以净化。
从曝气池流出并含有大量活性污泥的污水——混合液，经沉淀分离，水被净化排放，沉淀分离后的污泥作为种泥，部分回流曝气池。
活性污泥法经不断发展已有多种运行方式，如传统活性污泥法、阶段曝气法、生物吸附法、完全混合法、延时曝气法、纯氧曝气法、深井曝气法、氧化沟法、二段曝气法（AB法）、缺氧/好氧活性污泥法（A/O法）、序批式活性污泥法等。活性污泥法是城市生活污水处理的主要方法。
2）生物膜法
生物膜法是与活性污泥法并列的一类废水好氧生物处理技术，是一种固定膜法，是土壤自净过程的人工化和强化。它利用天然材料（如卵石）、合成材料（如纤维）为填料，微生物在填料表面聚附着，从而形成生物膜，经过充氧的污水以一定的流速流过填料时，生物膜中的微生物吸收分解水中的有机物，使污水得到净化，同时微生物也得到增殖，生物膜随之增厚。当生物膜增长到一定厚度时，向生物膜内部扩散的氧受到限制，其表面仍是好氧状态，而内层则会呈缺氧甚至厌氧状态，并最终导致生物膜的脱落。随后，填料表面还会继续生长新的生物膜，周而复始，使污水得到净化。生物膜有多种处理构筑物，如生物滤池、生物转盘、生物接触氧化及生物流化床等。
2.厌氧生物法
有机物的厌氧分解过程分为三个阶段（图7-13）。第一阶段为水解发酵阶段。在该阶段，复杂的有机物在厌氧菌胞外酶的作用下，首先被分解成简单的有机物，如纤维素经水解转化成较简单的糖类，蛋白质转化成较简单的氨基酸，脂类转化成脂肪酸和甘油等。继而这些简单的有机物在产酸菌的作用下经过厌氧发酵和氧化转化成乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类等。参与这个阶段的水解发酵菌主要是厌氧菌和兼性厌氧菌。第二阶段为产氢产乙酸阶段。在该阶段，产氢产乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇以外的第一阶段产生的中间产物，如丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类等转化成乙酸和氢，并有CO2产生。第三阶段为产甲烷阶段。在该阶段中，产甲烷茵把第一阶段和第二阶段产生的乙酸、H2和CO2等转化为甲烷。厌氧生物法具有处理过程消耗的能量少，有机物的去除率高，沉淀的污泥少且易脱水，可杀死病原菌，不需投加氮、磷等营养物质等优点。但是，厌氧菌繁殖较慢，对毒物敏感，对环境条件要求严格，最终产物尚需需氧生物处理。
图7-13 有机物厌氧分解过程
厌氧分解过程中，由于缺乏氧作为氢受体，因而对有机物分解不彻底，代谢产物中有众多的简单有机物。
利用兼性厌氧菌和专性厌氧菌的新陈代谢功能净化污水，尚可产生沼气，该法过去主要用于污泥的厌氧消化。经过多年的发展，现在成为污水处理的方法之一。它不但可用于处理高浓度和中浓度的有机污水，还可以用于低浓度有机污水的处理。
厌氧生物法的处理工艺设备有普通消化池、厌氧消化池、厌氧接触消化、上流式厌氧污泥床（UASB）、厌氧附着膜膨胀床（AAFEB）、厌氧流化床（AFB）、升流式厌氧污泥床-滤层反应器（UBF）等。
3.自然生物处理法
利用天然的水体和土壤中的微生物来净化废水的方法称为自然生物处理。水体自净过程、稳定塘和废水土地处理法等都是最常用的废水自然生物处理方法。
稳定塘是一种大面积、敞开式的污水处理系统，其净化机理与活性污泥法相似。废水在稳定塘中停留一段时间，利用藻类的光合作用产生氧及从空气溶解氧，以微生物为主的生物对废水中的有机物进行生物降解。根据稳定塘的水深及生态因子的不同可分为兼性塘、曝气塘、好氧塘、厌氧塘和水生植物塘五类。稳定塘在小城镇污水处理方面应用较为广泛。废水土地处理系统是指利用土地来处理污水，即利用土壤生态系统中土壤的过滤、截留、物理和化学吸附、化学分解、生物氧化及微生物和植物的吸收等作用来净化污水、改善水质。
自然生物处理法的优点是：基建投资省、运行费用低、管理方便，且对难以生物降解的有机物、氮磷营养物等的去除率较高。此外，在一定条件下，稳定塘还能作为养殖塘加以利用，污水灌溉则可将污水和其中的营养物质作为水肥资源利用。但是，污水自然生物处理法需要占用一定土地资源，设计和处理不当会恶化公共卫生状况。
五、污水处理流程
工业废水和生活废水中污染物性质复杂、种类繁多，很难用一种方法就将所有的污染物除净或达到要求的净化程度，即使技术上能做得到，经济上也往往难以承受。实际污水处理过程中往往都是多种处理技术单元的有机组合。这种组合一般遵循先易后难、先简后繁的规律，即首先去除大块废物和漂浮物，然后依次去除悬浮固体、胶体物质、溶解性物质。亦即一般尽可能首先使用物理法，然后再使用化学法、物理化学法及生物处理法。
污水处理工艺流程选择的影响因素较多，主要有：①污水的水质、水量及所需处理的程度等；②工程造价与运行费用；③当地的地形、气候等条件。总之，应根据具体的情况，进行调查研究并经科学实验和技术经济比较后决定。一般来说，生活污水和城市污水的性质相对变化不大，经验积累较多，已形成较为典型的处理流程，根据处理任务的不同，可将污水处理系统归纳为以下三级处理。
（1）一级处理 主要处理对象是漂浮物和悬浮物及pH值调节，采用的处理设备依次为格栅、沉砂池和沉淀池。经一级处理后出水，BOD去除率约为30%，一般达不到排放要求，还须进行二级处理。截留于沉淀池的污泥可进行污泥消化或其他方法处理。条件许可时，出水可排放于水体或用于污水灌溉。
（2）二级处理 在一级处理的基础上，再进行生物处理，称为二级处理。其去除对象是污水中呈胶体态和溶解态的有机物。二级处理工艺按BOD的去除率可分为两类：一类BOD去除率为75%左右（包括一级处理），处理后出水BOD达60 mg/L，称为不完全二级处理；另一类BOD去除率达85%～95%（包括一级处理），处理后出水BOD达20 mg/L，称为完全二级处理。二级处理采用的典型设备有生物曝气池（或生物滤池）和二沉池，产生的污泥经浓缩再进行厌氧消化或其他方法处理。二级处理的主体工艺是生物化学处理。
（3）三级处理和深度处理 在二级处理之后，为了进一步去除二级处理所残留的污染物、营养物质（N和P）、微生物及其他溶解物质等所采用的处理措施为三级处理。经过三级处理，BOD能够从20～30 mg/L降至5 mg/L以下，且大部分N、P被去除。具体采用的方法有化学絮凝、过滤等。有时，三级处理的目的不是排放，而是直接回收，这时，三级处理的去除对象还包括废水中的细小悬浮物及难以生物降解的有机物、微生物和无机盐等，采用的方法还有吸附、离子交换、反渗透、消毒等。三级处理与深度处理虽然在处理程度或深度上，两者基本相同，然而其概念还是有所区别。三级处理强调顺序性，即其前必有一、二级处理；深度处理，其前不一定要有其他处理。某城市污水处理系统工艺流程见图7-14。
各种工业废水的水质千差万别，其处理要求也不一致。图7-15所示为纯棉织物染色废水处理流程图。
